50000kN液压机主油缸柱塞热喷涂修复法

阮兴家

（一汽解放汽车有限公司卡车厂，吉林长春130011）

50000kN液压机主油缸柱塞热喷涂修复法

阮兴家

（一汽解放汽车有限公司卡车厂，吉林长春130011）

详细论述了热喷涂的原理和施工方法。利用热喷涂方法，对50000kN液压机损坏严重的主油缸柱塞实施修复，获得非常优良的表面质量。为快速、高效、低成本设备维修提供了借鉴案例。

机械制造；热喷涂技术；液压机；柱塞；维修

1 引言

50000kN液压机是2002年由上海锻压机床厂制造的国产最大液压机。从2003年投产以来一直担负着中重型卡车的纵梁成形和落料工艺。其动力执行机构是4个直径 800mm的柱塞油缸。该油缸的工作压力达到200bar，柱塞表面采用镀铬工艺，光洁度达到了7级以上标准。经过多年使用之后，由于防尘密封等密封件的老化破损，对其内部的导向造成损害，以至于柱塞表面逐渐有了磨损现象，已经出现了深度约2mm、宽度约5mm、长度约1000mm的大面积损坏痕迹。继续发展下去，就会彻底损坏导向套和密封元件，直至液压油沿损坏的沟痕大量泄漏，压力无法建立，最后整台设备将无法正常使用和达到设计吨位。

由于订购一根新柱塞将花费几十万元，极不合算，因而对柱塞的修复就成了必须面对的问题。对于磨损件的修复，传统的修复方法包括：机械加工修理法（如修理尺寸法、附加零件法、局部更换法等）、焊接修理法（堆焊、补焊、钎焊等）和电镀修理法（低温镀铁、镀铬）等。对于重要零部件的局部破坏，采用上述维修方法常常是费工、费时、费料，甚至无法修复。综合考虑，采取热喷涂修补技术是非常经济而且效果显著的一种修复方法。

2 热喷涂工作原理及实施方法

热喷涂技术是一种表面工程强化技术。该技术在我国成熟于上世纪五、六十年代。它通常是指利用热源将喷涂材料，通过喷枪加热到溶化或者半溶化状态，借助于高速气体雾化成高温颗粒，以很高的速度喷射到经过预处理的工件表面上，形成功能性涂层的一种表面加工工艺。这个过程属于物理结合，喷涂的材料一般有丝和粉两种，根据其原理分为火焰喷涂、电弧喷涂、超音速喷涂等。目前可应用该技术修复大型轴类零件并且磨损深度大于2mm的大面积修复。热喷涂技术在设备维修及新产品设计制造中有着广泛的应用。它可以使报废的零部件起死回生，也可以在新产品的制造中起强化和预保护作用，使其“延年益寿”。

热喷涂常用实施方法如下：

2.1 电弧喷涂

电弧喷涂是以电弧为热源，喷涂过程中两根丝材用送丝装置通过送丝轮送进电弧喷枪的两个导电嘴内，导电嘴分别接电源正负极，未接触之前要保证两根丝材之间的可靠绝缘。两根丝材端部相互接触时发生短路并产生电弧，丝材瞬间熔化并被压缩空气雾化呈微熔滴，同时以很高的速度喷射到工件表面，形成涂层。

主要喷涂材料：锌、铝、铅锡合金、铜、碳钢、不锈钢、蒙乃尔合金、巴氏合金的金属线材。常用于设备防腐、耐磨涂层、加工失误的机件表面修复和制备电容封焊涂层等。

由于热喷涂的加工物可在低温下控制，所以不会对加工物产生尺寸变化、变形、裂纹等影响。此外，喷涂涂层的厚度选择范围大（0.1～8mm），涂层质量良好，所以特别适合如铁塔、灯杆、桥梁、水闸门等防腐蚀工程。

可喷涂修复零部件例如：活塞杆、柱塞、导丝轮、不锈钢套、电机盖、拉丝盘、机床主轴、水泵叶轮等。

2.2 氧—乙炔粉末喷涂

氧—乙炔火焰粉末喷涂设备是以乙炔为燃烧气体，以氧气为助燃气体，喷涂粉末在喷嘴出口处受到氧—乙炔火焰迅速加热到熔化或高塑性状态后，喷射并沉积到经过预处理的基体表面，形成牢固结合的涂层的一种工艺。

涂层具有高度的耐磨、耐腐蚀性能。适用于一般工况条件下各种磨损零件如齿轮轴、电机轴、螺杆、电机盖、泵轴、导轨等。

2.3 等离子喷涂

等离子喷涂适用于高熔点的陶瓷粉末，主要用于制备性能优良的涂层，如耐磨涂层、减磨涂层等。喷涂的材料主要有陶瓷粉末、合金粉末、金属陶瓷粉末、碳化钨等复合材料，粉末变形充分、涂层致密、孔隙率低、硬度高、韧性好，具有优异的综合性能。

3 喷涂法适用修复的范围

（1）失效工件的修复：轴承档磨损喷涂修复、轴承内档修复、挤塑螺杆、曲轴、电机转子、轴瓦、机械密封档、导轨磨损、活塞杆拉伤、化工容器、水轮机叶片等。

（2）化纤纺织品陶瓷涂层：牵引辊、热辊热板、牵引辊、喂入轮、罗拉、槽辊、分丝辊、上油棒、导丝盘等。

（3）印刷行业陶瓷涂层：印刷辊、网纹辊、油墨辊、造纸辊、柱塞等。

（4）在冶金工业领域应用：钢铁工艺辊、薄膜辊、酸洗线辊、注塑螺杆、导向辊、张力辊、球阀、柱塞等。

（5）钢构件防腐涂层：灯塔、桥梁、灯杆、水闸门、高压输电铁塔、煤矿井架等各种大型钢结构件。

（6）电刷镀涂层：机械加工过程中造成的尺寸超差修复，以及特殊表面装饰处理。

（7）工程塑料涂层：聚乙烯、尼龙、环氧树脂氟龙涂层以及高分子复合技术提供堵漏、密封等。

4 热喷涂修复法的过程

4.1 表面预处理

为了使涂层与基体材料很好地结合，基材表面必须清洁及粗糙。净化和粗化表面的方法很多，方法的选择要根据涂层的设计要求及基材的材质、形状、厚薄、表面原始状况以及施工条件等因素而定。

净化处理的目的是去除工件表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其他污物，关键是去除工件表面和渗入其中的油脂。净化处理的方法有溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等。

粗化处理的目的是增强涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度。同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。粗化处理的方法有喷砂、机械加工法（如车螺纹、滚花）、电拉毛等。其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。喷砂时，喷砂介质的种类和粒度、喷砂时气压的大小等条件必须根据工件材质的硬度、工件的形状和尺寸等进行合理的选择。对于金属基体，采用的砂粒粒度为16～60号砂，粗砂用于坚固件和重型件的喷砂，喷砂压力为0.5～0.7MPa，薄工件易于变形，喷砂压力为0.3～0.4MPa。特别值得注意的是，用于喷砂的压缩空气一定要无水无油，否则会严重影响涂层的质量。喷涂前工件表面的粗化程度，对于大多数金属材料来说Ra2.5～13就符合要求。随着表面粗糙度的增加，涂层与基体的结合增强，但是当表面粗糙度超过Ra10后，随着涂层结合强度的提高，涂层强度便会减低。

对于一些与基材粘结不好的涂层材料，还应选择一种与基体材料粘结好的材料喷涂一层过渡层，称为粘结底层，常用作粘结底层的材料有Mo、Ni－A1、NiCr及铝青铜等。粘结底层的厚度一般为0.08～0.18μm。

4.2 预热

预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层材料的热膨胀差异产生应力而导致的涂层开裂。预热温度取决于工件的大小、形状和材质，以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般情况下预热温度控制在 60～120°C 之间。

4.3 喷涂

采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。

预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂，喷涂参数要根据涂层材料、喷枪性能和工件的具体情况而定，优化的喷涂条件可以提高喷涂效率，并获得致密度高、结合强度高的高质量涂层。

4.4 涂层后处理

喷涂所得涂层有时不能直接使用，必须进行一系列的后处理。

对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件，为了提高涂层的结合强度，要对喷涂层进行重熔处理（如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等），使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基体呈冶金结合的致密涂层。

有尺寸精度要求的，要对涂层进行机械加工。由于喷涂涂层具有与一般的金属及陶瓷材料不同的特点，如涂层有微孔，不利于散热；涂层本身的强度较低，不能承受很大的切削力；涂层中有很多硬的质点，对刀具的磨损很快等，因而形成了喷涂涂层不同于一般材料的难于加工的特点。所以必须选用合理的加工方法和相应的工艺参数才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度。

5 热喷涂原理和涂层性能

5.1 热喷涂涂层的形成

热喷涂时，涂层材料的粒子被热源加热到熔融态或高塑性状态，在外加气体或焰流本身的推力下，雾化并高速喷射向基体表面，涂层材料的粒子与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面，同时急冷而快速凝固，颗粒逐层沉积而堆积成涂层。

5.2 热喷涂涂层的结构特点

热喷涂涂层形成过程决定了涂层的结构特点，喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夹杂。涂层剖面典型的结构如图1所示，其特点为：①呈层状；②含有氧化物夹杂；③含有孔隙或气孔。

图1 典型涂层剖面图

5.3 热喷涂涂层的结合机理

涂层的结合包括涂层与基体的结合和涂层内部的结合。涂层与基体表面的粘结力称为结合力，涂层内部的粘结力称为内聚力。涂层中颗粒与基体之间的结合机理通常认为有以下几种方式。

（1）机械结合。碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒和凹凸不平的表面相互嵌合，被以颗粒的机械联锁而形成的结合（抛锚效应），一般来说，涂层与基体的结合以机械结合为主。

（2）冶金—化学结合。这是当涂层和基体表面产生主要冶金反应，如出现扩散和合金化时的一种结合类型。当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。

（3）物理结合。颗粒与基体表面间由范德华力或次价键形成的结合。

5.4 涂层的残余应力

当熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形的同时受到激冷而凝固，从而产生收缩应力。涂层的外层受拉应力，基体有时也包括涂层的内层，则产生压应力。涂层中的这种残余应力是由热喷涂条件及喷涂材料与基体材料的物理性质的差异所造成的。它影响涂层的质量、限制涂层的厚度。工艺上要采取措施以消除和减少涂层的残余应力。

6 适合柱塞修复的涂层功能和应用

（1）抗磨损涂层。磨损是造成工业部门设备损坏的重要原因之一，可能产生磨损的工作条件微振、滑动、冲击、擦伤、侵蚀等。抗磨损涂层应该是坚硬的，而且具有耐热和耐化学腐蚀的性能。Fe、Ni、Co基自熔合金以及WC-Co和Cr3C2—NiCr等金属陶瓷以及AL2O3、Cr2O3等陶瓷材料具有上述这些性能。采用涂层技术提高工件表面耐磨性的应用非常广泛，如在修复活塞喷涂Mo涂层。

（2）尺寸恢复涂层。热喷涂是恢复零部件尺寸的一种经济而有效的方法。无论是因为工作磨损还是因加工超差造成工件尺寸不合要求，均能利用热喷涂技术予以恢复。这种方法既没有焊接时的变形问题，也没有特殊电镀工艺的昂贵。同时新表面可以由耐磨或抗蚀材料构成，也可以与工件的构成材料相同。

根据以上论述，采用热喷涂修复工艺修复镀铬液压杆局部损伤，可以克服其他修复方法存在的种种问题。修复后工件的使用寿命与新件相当，是一种修复成本低、操作简便、生产效率高的新型维修方法。该技术特别适合修复镀铬零部件的局部缺陷。修复各种轴类和柱塞件是其典型应用。

7 对柱塞实施热喷涂表面修复

基于对热喷涂工作原理和实施方法等的了解，结合我厂50000kN油压机柱塞表面实际损坏状况，我厂委托专业单位对50000kN液压机的两根柱塞实施了喷涂处理，最终取得了预期效果。为我厂节约了柱塞购置费用，缩短了设备停歇时间，满足了我厂高产期间对设备的需求。柱塞修复前、修复后的照片如图2、3所示。

8 结束语

主油缸柱塞的成功修复，开拓了设备维修技术视野，为其他油缸的表面快速维修提供了参考依据。未来，企业会将此项技术应用于其他油缸和滑动轴承、轴类零件的维修中，为设备修旧利废、节约挖潜做出新的贡献。

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Thermal spraying repair method of plunger piston for main oil cylinder in 5000 kN hydraulic press

RUAN Xingjia
（Truck Plant,Faw Liberation Co.,Ltd.,Changchun 130011,Jilin China)

The principle and construction method of thermal spraying process have been expounded in detail.Thermal spraying method has been applied to repair the badly damaged plunger piston of main oil cylinder in 5000 kN hydraulic press,which realizes perfect surface quality.It provides reference for high speed&efficiency and lower cost maintenance.

Thermal spraying technique;Hydraulic press;Plunger piston;Repair

TG315.4

B

1672－0121（2012）02－0039－04

2011-12-05

阮兴家（1965-），男，高级工程师，从事机械工程技术研发设计